Fundamentals of Beam Physics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Rosenzweig, James

出品人:

页数:304

译者:

出版时间:2003-10

价格:$ 141.25

装帧:

isbn号码:9780198525547

丛书系列:

图书标签:

• Beam Physics
• Accelerator Physics
• Particle Beams
• Beam Dynamics
• Plasma Physics
• Electromagnetism
• Vacuum Technology
• Instrumentation
• Physics
• Engineering

探索微观世界的精妙：粒子加速器与束流物理学 本书旨在深入剖析现代物理学研究和应用领域中至关重要的一环——粒子加速器与束流物理学。我们不探讨《Fundamentals of Beam Physics》所涵盖的特定内容，而是聚焦于粒子束的产生、传输、聚焦、能量操控以及其在尖端科学、医疗和工业应用中的核心原理与技术。 本导论性教材从宏观现象入手，逐步深入到描述微观粒子动态行为的基本理论框架。我们首先概述粒子加速器的历史发展脉络及其在不同研究领域中的战略地位，从早期的范德格拉夫加速器到现代化的同步辐射光源和高能对撞机。理解这些复杂系统的运行基础，是掌握束流物理学的先决条件。 第一部分：束流的产生与特性描述 章节一：粒子源的原理与工程 束流的质量和性能始于高质量的粒子源。本部分详细阐述了电子、质子、重离子等不同类型粒子源的工作机制。 电子源： 我们将详尽解析热阴极发射、光电效应发射以及现代高亮度、高频度电子枪（如皮秒脉冲枪）的设计原理。重点讨论如何通过优化阴极材料、工作温度和电场梯度来提高束流的统计特性，特别是对光束的亮度（Brightness）和应有率（Emittance）的控制。 离子源： 针对质子和重离子，我们将区分表面等离子体源（SPS）、电子回旋共振离子源（ECR）和多级离子源的工作模式。深入分析等离子体的产生、电离过程以及离子提取系统的几何优化，确保提取出的离子束具有期望的电荷态和空间分布。 章节二：束流动力学基础——从单粒子到群体行为 束流物理学的核心在于描述大量带电粒子在电磁场中如何运动。 横向运动与宋氏理论（Courant-Snyder Theory）： 这是束流光学设计的基石。本章将详细推导和应用宋氏参数（$alpha, eta, gamma$）来描述束流在周期性磁场（如聚焦阵列）中的包络振荡。我们将通过矩阵方法分析漂移空间、四极透镜（Quads）和六极透镜（Sextupoles）对束流尺寸和相位空间的影响。严格区分线性和非线性场对束流传输的影响。 纵向动力学： 粒子束的能量稳定性和同步性至关重要。我们探讨同步辐射、同步加速原理，并分析同步加速器中的RF腔（射频腔）如何提供能量增益并维持束流的相位稳定性。引入概念如“有效电压”、“同步条件”以及“相移”对束流长度和能量散逸的影响。 束流相空间与Liouville 定理： 阐释相空间体积（Emittance）在无耗散传输中的不变性原理。这是理解束流压缩和冷却技术的前提。讨论横向（$x, x', y, y'$）和纵向（$delta E, s$）相空间的定义、测量方法及其在束线设计中的约束条件。 第二部分：束流的传输与控制系统 章节三：磁铁光学元件的设计与应用 加速器和储存环依赖于精确设计的电磁铁来控制粒子轨迹。 磁铁类型与性能规格： 全面介绍偶极磁铁（Bending Magnets）的设计对束流偏转角和能量损失的影响，以及其铁芯几何形状对磁场均匀性的要求。重点分析四极磁铁作为束流透镜（聚焦/散焦）的功能，以及六极磁铁如何校正束流的色差（Chromaticity）。讨论超导磁体在实现高场强方面的技术挑战和优势。 磁铁误差与校正： 实际磁铁中不可避免地存在场强和几何误差。本章深入探讨如何量化这些误差（如磁铁的偏离、倾斜度）并设计闭环或开环的校正系统，例如使用偏磁铁（Steerers）来精确定位束流中心。 章节四：射频与能量操控 RF系统是束流加速和维持稳定性的主要驱动力。 RF腔理论： 详述不同类型的RF腔体——开口腔、TM/TE模式腔、超导腔的工作原理。分析腔体的有效电压、加速梯度以及束流负载（Beam Loading）对RF系统稳定性的影响。讨论频率锁定与相位控制技术，确保粒子束与RF场精确同步。 束流聚焦与压缩技术： 介绍如何利用特殊的磁铁排列（如四极-偶极-四极结构，即信道或晶格设计）来优化束流的聚焦。重点阐述“线性束流压缩”和“非线性束流压缩”的概念，它们是如何通过改变纵向相空间分布来实现更高密度的束流脉冲。 第三部分：束流与物质的相互作用及应用 章节五：束流损伤与环境效应 高能、高密度的粒子束会对周围环境和束流本身产生显著影响。 束流-真空系统的耦合： 探讨束流与残余气体分子碰撞产生的二次电子雪崩效应（Beam-Driven Electron Cloud Effect, ECC），这在高能加速器中是限制束流强度的主要因素。分析束流驱动的阻抗模型及其对束流稳定性的影响。 辐射场产生与防护： 阐述粒子束在弯转、碰撞或通过特殊结构（如扭摆器/波荡器）时产生的同步辐射或轫致辐射的物理机制。详细讨论辐射场的剂量学和必要的屏蔽材料选择，以保护设备和人员安全。 章节六：束流诊断与反馈系统 精确的诊断是束流控制的基础。本章介绍衡量束流关键参数的先进技术。 横向诊断： 详细介绍利用塞子（Scrapers）、束流轮廓监测仪（Beam Profile Monitors，如CCD或荧光屏）来测量束流尺寸和形状的方法。重点讨论电流计（Beam Position Monitors, BPMs）的工作原理，以及如何用其数据构建实时的束流轨迹。 纵向与强度诊断： 探讨如何使用束流变换器（Beam Current Transformers, BCT）精确测量总电流，以及使用Pick-up天线来分析束流的RF信号和脉冲结构。引入束流稳定性的反馈控制理论，如PID控制在维持束流位置和能量稳定中的应用。 结语 本书的最终目标是为读者提供一个坚实的理论基础和工程视野，使之能够理解并参与到设计、运行和优化下一代粒子加速器系统的挑战中去。通过对这些复杂动力学和工程技术的深入剖析，读者将能够洞察现代物理探索工具背后的核心科学原理。

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**评价四** 如果用一个词来形容这本书的阅读体验，那就是“沉浸”。它成功地构建了一个完整的理论世界，读者一旦进入，便很难被外界打扰。作者似乎深谙如何引导读者的注意力，他避免了教科书中常见的冗长定义和无休止的公式堆砌，而是将复杂的物理现象分解成一系列逻辑严密的、可追踪的步骤。例如，在处理高强度束流下的非线性效应时，作者不是直接抛出庞大的李亚普诺夫指数分析，而是先通过一个简化的二阶模型展示核心的混沌行为，然后再逐步引入更高阶的修正项，这种循序渐进的教学法，极大地降低了学习曲线的陡峭程度。更让我惊喜的是，书中对一些历史上的经典实验和关键发现的引用，都附带着对实验背景和挑战的简短描述，这让冰冷的物理定律充满了人文色彩和历史厚重感，使得学习过程不再是枯燥的知识点记忆，而是一场对科学探索历程的追溯。

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**评价五** 这本书的撰写风格透露着一种罕见的平衡感——它既是严谨的学术专著，又像一位经验丰富的导师在耳边细语，引导你穿越迷雾。我特别欣赏作者在介绍“误差分析与反馈控制系统”时所展现出的工程智慧。他清楚地认识到，在实际加速器运行中，模型往往是不完美的，因此，他花了相当大的篇幅讨论了模型不确定性如何影响控制策略的鲁棒性。这种对“不确定性管理”的重视，是许多纯理论书籍所缺失的宝贵视角。此外，本书对不同类型加速器（如同步加速器与微波直线加速器）中束流特性的比较分析，非常具有启发性，它清晰地勾勒出了不同技术路径下的物理限制和设计权衡。这本书无疑是粒子加速器物理领域的一部力作，它不仅是知识的宝库，更是激发创新思维的催化剂，是任何严肃的物理学或工程学图书馆中都不可或缺的收藏。

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**评价一** 这本书的结构设计实在令人惊艳，仿佛作者是一位技艺精湛的建筑师，精心雕琢着每一个章节的布局。它并非那种堆砌概念的教科书，而是像一条蜿蜒的河流，引导着读者从基础的物理原理出发，逐步深入到更复杂的粒子加速器动力学领域。尤其是关于横向聚焦和纵向束流演化的讨论，作者采用了直观的类比和清晰的数学推导相结合的方式，使得即便是初次接触这个领域的读者也能迅速建立起扎实的理解框架。书中穿插的实际工程案例分析，更是将理论知识与工程实践紧密结合，让人读来茅塞顿开。我尤其欣赏作者在处理像“束流不稳定性”这样高深课题时的细腻笔触，没有丝毫的故作高深，而是层层剥茧，直至问题的核心，这对于我们这些希望在加速器物理领域深耕的研究人员来说，简直是如获至宝。这本书的价值，在于它不仅传授了知识，更重要的是，它培养了一种严谨的、系统的物理思维方式。

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**评价三** 这是一部值得反复研读的案头工具书，但其价值远超工具的范畴。它的贡献更像是一份里程碑式的综述，对当前束流物理研究的前沿和难点进行了全面而深刻的梳理。特别是在涉及“束流与介质相互作用”以及“辐射阻尼效应”这部分内容时，作者展现出了极其深厚的功底，他不仅阐述了已有的成熟理论，还巧妙地指出了现有模型的局限性，并暗示了未来研究可能突破的方向。这种前瞻性的视角，对于正在进行博士论文研究的我来说，无疑是至关重要的指引。阅读过程中，我多次停下来，不是因为不理解，而是因为被作者的洞察力所折服，并开始思考如何将这些理论应用于我正在进行的模拟工作中。这本书的排版也极为考究，注释详尽且恰到好处，每当引入一个新术语或公式时，都能找到清晰的溯源和解释，确保了阅读体验的流畅性，这体现了作者对读者体验的极致尊重。

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**评价二** 说实话，拿到这本书时，我并没有抱太大的期望，因为市面上关于粒子束物理的教材汗牛充栋，很多都晦涩难懂，要么过于侧重数学推导，让人在公式中迷失方向，要么又过于浅尝辄止，无法真正解决实际问题。然而，这本书完全颠覆了我的预想。它的语言风格极其鲜明，带着一种老派物理学家的严谨与幽默感，读起来毫不枯燥。作者在解释诸如“相空间体积守恒”这类核心概念时，所选用的视角非常独特，他似乎总能找到最恰当的比喻，将抽象的物理图像具象化。我发现自己不再是被动地接受知识，而是在与作者进行一场高质量的学术对话。书中的插图和图表设计也堪称典范，它们不是简单的示意图，而是经过深思熟虑的视觉辅助工具，极大地提升了对复杂几何关系和动态过程的把握能力。对于那些希望从理论物理背景平滑过渡到应用加速器物理的同行来说，这本书提供了一条近乎完美的桥梁，其深度与广度拿捏得恰到好处。

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